大气污染处理工程吸收法净化气态污染物

一、物理吸收速率
在稳态吸收操作中，从气相主体传递到界 面吸收质的通量等于从界面传递到液相主体的 通量，在界面上无吸收质的积累和亏损。
对于气膜：
N AD Z A GG (pA GpA i)kA(G pA GpA i) 对于液膜：
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N AD Z A LL (cA icA)LkA(L cA icA)L
1 1 HA KAL kAL kAG
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p
* A
c AL HA
c*A HApAG
一、物理吸收速率
在总传质阻力中，若气膜的阻力远远大于 液膜阻力，则称为气膜控制；若液膜阻力远远 大于气膜阻力，则称为液膜控制。 提高物理吸收速率可采取以下措施： （1）提高气液相对运动速度，以减小气膜和 液膜的厚度。 （2）增大供液量，降低液相吸收浓度，以增 大吸收推动力。 （3）增加气液接触面积。 （4）选用对吸收质溶解度大的吸收剂。
NADA
LdcA dZ
Z0
若已知组分A在界面处的液相浓度梯度 ，就可利用上式求得液膜内的过程速率。在 液膜内对组分A作物料衡算可得到液相浓度 分布规律及梯度。
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二、化学吸收速率
在液膜内离界面Z 处，取一厚度为dZ的微
元，对气体A在微元体内进行物料衡算：
A扩散入微元的通量-A扩散出微元的通量=A在微元的反应量
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二、化学吸收速率
化学吸收的速率不但取决于液相的物理 性质与流动状态，也取决于化学反应速率。 但是由于液相中有化学反应的存在，组分A
的浓度cA降低加快，这意味着液膜厚度薄，
液膜阻力减小，从而使过程吸收速率提高。
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二、化学吸收速率
在过程稳定的情况下，仍可采用费克定 律来描述液膜中的吸收情况：
① 当由气相扩散至界面的A的量超过由液相扩散至
界面的B物质反应所需的量时，相界面上的B物
质被耗尽，吸收组分A过剩，界面上cBi 0,cAi 0 过剩的A物质向液膜扩散，并继续与B物质反应
，所以反应面向液相移动。
当反应面移动到 ，其位置不再移动。
NB
b a
NA
时，过程稳定
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D Ad d L c Z A D Ad d L Z (c A d d c Z A d Z ) ( r A )d Z
整理得：
DALdd2ZcA 2 (rA)
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二、化学吸收速率
同理对B作物料衡算有：
DBLdd2 Z c2 B(rB)ba(rA)
反应动力学方程： rAf(cA,cB)
cA[A][M]
[A]HAp*A [M ]K[A]B []
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二、化学吸收平衡
cAH A(1K [B ])p* A
p*AHA(11k[B])cA
在A的稀溶液中，溶剂B的浓度很大，[B]可
视为常数，且K 也为常量，此时（1+K[B]）近似
为常数，对比亨利定律,溶解度系数是无化学作 用时的（1+K[B]）倍。
界面传递。 ➢ 气相反应物A自气-液相界面向液相传递。 ➢ 反应物A在液膜或液相主体中与B发生反应(
视反应速率的快慢而定)。 ➢ 反应生成的液相产物留存在液相中(如有气
相产物生成则向相界面扩散)。 ➢ 气相产物自相界面通过气膜向气相本体扩散
。
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二、化学吸收速率
化学吸收法净化气态污染物质一般要求 吸收剂在吸收条件下的蒸气压很低或趋于零 ，化学反应只在液相内发生。
而言，A组分的溶解度的最大值
c
* A
不超过吸收活
性组分的初始浓度值。
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第二节 吸收速率
➢ 物理吸收速率 ➢ 化学吸收速率
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一、物理吸收速率
吸收是气态污 染物从气相向液相 转移的过程，对于 吸收机理以双膜理 论应用较为普遍。 气膜、液膜、 气 相主体、 液相主 体。
[M] K[A]
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二、化学吸收平衡
由气液相平衡得到进入溶液中A的总浓度
： cA
cAH Ap* AKH Ap* A
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二、化学吸收平衡
3.被吸收组分与溶剂中活性组分作用 废气治理中用含亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、
碳酸钠和亚硫酸钠等溶液吸收烟气中二氧化 硫就属于这种情况。对于这种情况，组分A 在溶液中的转化过程为：
大气污染控制工程
吸收法净化气态污染物
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吸收法净化气态污染物
• 根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理 溶解度或化学反应活性不同而将混合物分离 的一种方法
• 优点：效率高、设备简单、一次投资费用相 对较低
• 缺点：需要对吸收后的液体进行处理、设备 易受腐蚀
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第五章 吸收法净化气态污染物
在液膜中的情况，化学吸收和物理吸收 却很不相同。对于化学吸收，组分A按分子 扩散从气膜扩散至界面溶解后，在液膜内一 面进行扩散，一面与吸收剂组分B进行化学 反应，若在液膜内未反应完还要转移至液相 主体中进行。
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二、化学吸收速率
组分B不断地从液相主体扩散到界面附 近并与A相遇。A与B在什么位置进行反应取 决于反应速率与扩散速率的相对大小。反应 进行得愈快，A消耗愈快，则A抵达气液界面 后扩散不远便会消耗干净。反之，如果A与B 反应较慢，A可能扩散到液相主体仍有大部 分未能参加反应。
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二、化学吸收平衡
1.被吸收组分A与溶剂互相作用 水对氨的吸收过程就属于这种情况。这种
情况下气态污染物A在溶液中的转化过程的通式 可表示为：
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二、化学吸收平衡
吸收前[M]=0，被吸收组分A从气相溶入液相 后，与溶剂B进行化学反应生成M，最后达到平
衡，此时组分A进入溶剂的总浓度 c A ：
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二、化学吸收速率
➢ 吸收速率方程 ➢ 典型特定情况
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二、化学吸收速率
1.吸收速率方程 对于典型的气液相反应:
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二、化学吸收速率
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液相中A的浓度变化
(a)物理吸收
(b)化学吸收
二、化学吸收速率
化学吸收过程： ➢ 气相反应物A从气相本体通过气膜向气-液相
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二、化学吸收平衡
气态污染物的总溶解量由液相物理吸收 量和化学反应消耗量两部分组成:
[A]净化 [A]物理 平 [A 衡 ]化学消耗 其中[A]物理平衡可采用前面介绍的亨利定律近似 计算，而[A]化学消耗可根据化学平衡进行计算。
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二、化学吸收平衡
由亨利定律有： [A]物理平 H 衡 Ap* A
一、物理吸收平衡
1.气体组分在液体中的溶解度
✓ 吸收过程：当混合气体与吸收剂接触时，气 相中的可吸收组分向液相进行质量传递的过 程。
✓ 解吸过程：伴随吸收过程发生的液相中吸收 组分反过来向气相逸出的质量传递过程。
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一、物理吸收平衡
✓ 平衡溶解度：在一定的温度和压力下，吸收 过程的速率和解吸过程的速率最终将会相等 ，气液两相间的质量传递达到动态平衡。平 衡时，液相中吸收组分的量称为该气体的平 衡溶解度，简称溶解度。溶解度是吸收的最 大限度。
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二、化学吸收平衡
这种情况和第一种情况的差别在于活性 组分B的浓度在反应前后不能认为不变。设
溶剂中活性组分B的初始浓度为c B0 ，若平
x 衡转化率为 ，则溶液中组分B的平衡浓度
为 [B]cB0(1x)，而生成物M的平衡浓度为 。 [M]cB0x
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二、化学吸收平衡
一、物理吸收速率
组分A在界面位置处于气液平衡状态：
cAi HApAi
稳定吸收过程的总传质速率方程式：
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NA
pAG p* A 1 1
KAG (pAG p* A)
kAG kAL HA
或：NA
c*AcAL 1 HA
KAL(c*AcAL)
kAL kAG
一、物理吸收速率
1 1 1 KAG kAG kALHA
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二、化学吸收速率
(1) 极快速不可逆化学反应吸收过程
典型的气液相反应：
对于极快速不可逆化学反应，传质阻力比化 学反应阻力大很多，整个过程属扩散控制。由于 吸收组分A与反应物B的扩散速率不同，会使液相 浓度出现三种不同的情况，下面分别加以讨论：
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二、化学吸收速率
由化学平衡关系式有
K [M] x [A][B] [A][1x]
将气液平衡关系 [A]HAp*A 代入得：
p*A
x
KHA(1x)
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二、化学吸收平衡
进入溶液中A的总浓度：
cA[A ]xB c 0H A p* A1 K K 1p 1* A p* AcB0
K1KHA，它表征了带化学反应气液平衡的特征。
物理吸收：利用气体混合物在所选择的溶剂中溶解 度的差异而使其分离的吸收过程
化学吸收：伴有显著化学反应的吸收过程。该法使 吸收过程推动力增大，阻力减少，吸收 效率提高，可处理低浓度气态污染物
针对实际工程问题常具有废气量大、污染物浓 度低、气体成分复杂和排放标准要求高等特点，大 多采用化学吸收法。
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二、化学吸收平衡
2.被吸收组分在溶液中离解 用水吸收H2S时，H2S会进一步解离成 为H+和HS-。对于这种情况组分A在溶液中 的转化过程为：
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二、化学吸收平衡
cA[A][M ]
K [M][N] [A]
当溶液中没有同离子存在时，则[M+]=[N-]
cA[A] K[A]
若物理溶解量与化学溶解量相比可忽略不 计，则：
cAxcB0 1KK 1p1*A p*AcB0
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二、化学吸收平衡
随着
p
* A
的增加，组分A在液相内的溶解度
c
* A
变大，但无论怎样
p
* A
增大，式中右端第二个因
子
K
1
p
* A
总是小于1的。
1
K
1
p
* A
在此种反应类型情况下，对纯粹的化学吸收
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二、化学吸收平衡
为了加快净化速率、提高净化效率，实际 气态污染物净化过程通常采用化学吸收法。 此时，气体溶于液体中，且与液体中某组分 发生化学反应，被吸收组分既遵从相平衡关 系又遵从化学平衡的关系。
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二、化学吸收平衡
设气态污染物A与吸收液中所含组分B发生 如下反应： 则气态污染物A在溶液中的转化过程可表示为：
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一、物理吸收平衡
气体的溶解度在同一系 统中一般随温度的升高而减 小，随压力的增大而增大。 增大气相中该气体的浓度也 能使其溶解度增大。
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几种常见气体污染物水中溶解度曲线
一、物理吸收平衡
2.亨利定律
cA HAp*A
p*A EAxA
适用条件：在系统压力不太高，温度不太低以及 溶解气体组分又不与液体起化学反应的情况下， 难溶气体的溶解平衡可近似认为遵循亨利定律， 对中溶和易溶气体在液相溶解浓度较低时也可近 似认为遵从亨利定律。在实际的废气处理时也经 常用亨利定律进行计算。
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双膜理论模型
一、物理吸收速率
传质过程： ✓ 被吸收组分从气相主体通过气膜边界向气膜
移动； ✓ 被吸收组分从气膜向相界面移动； ✓ 被吸收组分在相界面处溶入液相； ✓ 溶入液相的被吸收组分从气液相界面向液膜
移动； ✓ 溶入液相的被吸收组分从液膜向液相主体移
动。
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在吸收过程中，当传递速率远大于化学 反应速率时，实际的过程速率取决于后者， 称为动力学控制；反之，如果化学反应速率 很快，而传质速率很慢，过程速率主要取决 于传质速率的大小，称为扩散控制。
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二、化学吸收速率
对化学吸收而言，气膜的传质速率仍可 按与物理吸收相同的公式表示。在气液界面 处，组分A仍处于平衡状态，可用亨利定律 描述。
由化学平衡有：
K
[M]m[N]n [A]a[B]b
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二、化学吸收平衡
由于吸收组分既遵从相平衡关系又遵从化 学平衡的关系，式中[A]就是[A]物理平衡，在已
知化学平衡常数K 及反应前后反应物B的浓度
变化的情况下可求出生成物M、N的浓度，再由 化学反应式可求出[A]化学消耗及[A]净化。
联解上述公式可以获得总速率方程。 由于化学动力学方程一般比较复杂，大多数
情况下只能给出数值解，但对一些特殊情况有解 析解。
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二、化学吸收速率
2.典型特定情况 用吸收法处理气态污染物时，化学吸收
剂一般能与被吸收组分发生极快的化学反应 ；或其用量大大过量，以致其液相中浓度几 乎不变，这时可看成拟一级反应。以下分别 针对这两种典型的特定情况进行讨论。